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直流电源滤波参数选取计算.pdf

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直流电源 滤波 参数 选取 计算
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电源 滤波 电容的 选择 与计算 电感的阻抗与频率成正比 , 电容的阻抗与频率成反比 . 所以 , 电感可以阻扼高频通过 , 电容可 以阻扼低频通过 . 二者适当组合 , 就可过滤各种频率信号 . 如在整流电路中 , 将电容并在负载 上或将电感串联在负载上 , 可滤去交流纹波 . 。 电容滤波属电压滤波 , 是直接储存脉动电压来 平滑输出电压,输出电压高,接近交流电压峰值;适用于小电流,电流越小滤波效果越好 。 电感滤波属电流滤波 , 是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流 , 输出电压低 , 低于交流 电压有效值 ; 适用于大电流 , 电流越大滤波效果越好 。 电容和电感的很多特性是恰恰相反的 。 一般情况下 , 电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号 , 但即使是低频信号 , 其频率也分 为了好几个数量级 。 因此为了适合在不同频率下使用 , 电解电容也分为高频电容和低频电容 (这里的高频是相对而言)。 低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波,其工作频率与市电一致为 50Hz; 而高频滤波电容主要工作在开关电源整流后的滤波 , 其工作频率为几千 Hz 到几万 Hz。 当我 们将低频滤波电容用于高频电路时 , 由于低频滤波电容高频特性不好 , 它在高频充放电时内 阻较大 , 等效电感较高 。 因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量 。 而较高的 温度将使电容内部的电解液气化,电容内压力升高,最终导致电容的鼓包和爆裂。 电源滤波电容的大小,平时做设计,前级用 4.7u,用于滤低频,二级用 0.1u,用于滤高频 , 4.7uF的电容作用是减小输出脉动和低频干扰, 0.1uF的电容应该是减小由于负载电流瞬时 变化引起的高频干扰 。 一般前面那个越大越好 , 两个电容值相差大概 100倍左右 。 电源滤波 , 开关电源 , 要看你的 ESR(电容的等效串联电阻 ) 有多大 , 而高频电容的选择最好在其自谐振 频率上。大电容是防止浪涌,机理就好比大水库防洪能力更强一样;小电容滤高频干扰 , 任 何器件都可以等效成一个电阻 、 电感 、 电容的串并联电路 , 也就有了自谐振 , 只有在这个自 谐振频率上,等效电阻最小,所以滤波最好! 电容的等效模型为一电感L,一电阻R和电容C的串联, 电感L为电容引线所至,电阻R代表电容的有功功率损耗,电容C. 因而可等效为串联LC回路求其谐振频率 , 串联谐振的条件为 WL=1/WC,W=2*PI*f,从而得到 此式子 f = 1/(2pi*LC).,串联LC回路中心频率处电抗最小表现为纯电阻,所以中心频 率处起到滤波效果 . 引线电感的大小因其粗细长短而不同 , 接地电容的电感一般是1MM 为 10nH左右,取决于需要接地的频率。 采用电容滤波设计需要考虑参数: ESR ESL 耐压值 谐振频率 那么如何选取电源滤波电容呢? 电源滤波电容如何选取 , 掌握其精髓与方法 , 其实也不难 1)理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少 (1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应 , 这时电容应该看成是一个 LC 串连谐振电路 , 自谐振频率即器件的 FSR 参数 , 这表示频率大 于 FSR 值时 , 电容变成了一个电感 , 如果电容对地滤波 , 当频率超 出 FSR 后 , 对干扰的抑制就大打 折扣 , 所以需要一个较小的电容并联对地 . 原因在于小电容 ,SFR值大 , 对高频信号提供了一 个对地通路 , 所以在电源滤波电路中我们常常这样理解 : 大电容滤低频 , 小电容滤高频 , 根本的原因在 于 SFR(自谐振频率 ) 值不同 , 想想为什么 ? 如果从这个角度想 , 也就可以理解为什么电源滤波中 电容对地脚为什么要尽可能靠近地了 . 2)那么在实际的设计中 , 我们常常会有疑问 , 我怎么知道电容的 SFR 是多少 ? 就算我知道 SFR 值 , 我如何选取不同 SFR 值的电容值呢 ? 是选取一个电容还是两个电容 ? 电容的 SFR 值和电容值有关 , 和电容的引脚电感有关 , 所以相同容值的 0402,0603,或直插式 电容 的 SFR 值也不会相同 , 当然获取 SFR 值的途径有两个 :1)器件 Data sheet,如 22pf0402电容 的 SFR 值在 2G 左右 , 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率 , 想想如何测量 S21? 知道了电容的 SFR 值后 , 用软件仿真 , 如 RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工 作频 带是否有足够的噪声抑制比 . 仿真完后 , 那就是实际电路试验 , 如调试手机接收灵敏度时 ,LNA 的 电源滤波是关键 , 好的电源滤波往往可以改善几个 dB. 电容的本质是通交流 , 隔直流 , 理论上说电源滤波用电容越大越好 . 但由于引线和 PCB 布线原 因 , 实际上电容是电感和电容的并联电路 ,(还有电容本身的电阻 , 有时也不可忽略 ) 这就引入 了谐振频率的概念 : ω =1/(LC)1/2 在谐振频率以下电容呈容性 , 谐振频率以上电容呈感性 . 因而一般大电容滤低频波 , 小电容滤 高频波 . 这也能解释为什么同样容值的 STM 封装的电容滤波频率比 DIP 封装更高 . 至于到底用多大的电容 , 这是一个参考电容谐振频率 电容值 DIP (MHz)STM (MHz) 1.0μ F 2.5 5 0.1μ F 8 16 0.01μ F 25 50 1000pF80 160 100 pF 250 500 10 pF 800 1.6(GHz) 不过仅仅是参考而已 , 老工程师说主要靠经验 . 更可靠的做法是将一大一小两个电容并联 , 一般要求相差两个数量级以上 , 以获得更大的滤波频段 . 文章来源: http://blog.sina.com.cn/s/blog_545edca401000ax6.html 我看了这篇文章,也做个粗略的总结吧: 1.电容对地滤波,需要一个较小的电容并联对地,对高频信号提供了一个对地通路。 2.电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。 3.理论上说电源滤波用电容越大越好,一般大电容滤低频波 , 小电容滤高频波。 4.可靠的做法是将一大一小两个电容并联 , 一般要求相差两个数量级以上 , 以获得更大的滤 波频段 . (类似 1 ) 滤波电容的选取原则 经过整流桥以后的是脉动直流,波动范围很大。后面一般用大小两个电容 大电容用来稳定输出,众所周知电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑 小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压纯净 电容越小,谐振频率越高,可滤除的干扰频率越高 容量选择: ( 1 )大电容 , 负载越重,吸收电流的能力越强,这个大电容的容量就要越大 ( 2 )小电容,凭经验,一般 104 即可 2.别人的经验(来自互联网) 1 、电容对地滤波,需要一个较小的电容并联对地,对高频信号提供了一个对地通路。 2 、电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。 3 、理论上说电源滤波用电容越大越好,一般大电容滤低频波 , 小电容滤高频波。 4 、可靠的做法是将一大一小两个电容并联 , 一般要求相差两个数量级以上 , 以获得更大的滤 波频段 . 具体案例 : AC220-9V再经过全桥整流后,需加的滤波电容是多大的? 再经 78LM05后需加 的电容又是多大? 前者电容耐压应大于 15V, 电容容量应大于 2000微发以上 。 后者电容耐压应大于 9V, 容量 应大于 220 微发以上。 2.有一电容滤波的单相桥式整流电路,输出电压为 24V,电流为 500mA,要求: ( 1 )选择整流二极管; ( 2 )选择滤波电容; ( 3 )另:电容滤波是降压还是增压? ( 1 )因为桥式是全波,所以每个二极管电流只要达到负载电流的一半就行了,所以二极管 最大电流要大 于 250mA; 电容滤波式桥式整流的输出电压等于输入交流电压有效值 的 1.2 倍 , 所以你的电路输入的交流电压有效值应是 20V, 而二极管承受的最大反压是这个电压的根 号 2 倍,所以,二极管耐压应大于 28.2V。 ( 2 )选取滤波电容: 1 、电压大于 28.2V; 2 、求 C 的大小:公式 RC≥ ( 3--5) × 0.1秒, 本题中 R=24V/0.5A=48欧 所以可得出 C ≥ ( 0.00625--0.0104) F ,即 C 的值应大于 6250μ F 。 ( 3 )电容滤波是升高电压。 滤波电容的选用原则 贴子回复于: 2007-3-2521:24:28 在电源设计中 , 滤波电容的选取原则是 : C ≥ 2.5T/R 其中 : C 为滤波电容 , 单位为 UF; T 为频率 , 单位为 Hz R 为负载电阻 , 单位为 Ω 当然 , 这只是一般的选用原则 , 在实际的应用中 , 如条件 ( 空间和成本 ) 允许 , 都选取 C ≥ 5T/R. 3. 滤波电容的大小的选取 PCB制版电容选择 印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采 用 RC 吸收电路来吸收放电电流。一般 R 取 1~2kΩ , C 取 2.2~4.7μ F 一般的 10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号 ,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰 , 还 可以起到稳压的作用 滤波电容具体选择什么容值要取决于你 PCB 上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐 波 频率,可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件,根据具体的需要 选择。至于个数就不一定了,看你的具体需要了,多加一两个也挺好的,暂时没用的可以 先不贴 , 根据实际的调试情况再选择容值 。 如果你 PCB 上主要工作频率比较低的话 , 加两个 电容就可以了,一个虑除纹波,一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流,建议 再加一个比较大的钽电容。 其实滤波应该也包含两个方面,也就是各位所说的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。 原理我就不说了,实用点的,一般数字电路去耦 0.1uF即可,用于 10M 以下; 20M以上用 1 到 10 个 uF, 去除高频噪声好些 , 大概按 C=1/f。 旁路一般就比较的小了 , 一般根据谐振频率 一般为 0.1 或 0.01uF 说到电容,各种各样的叫法就会让人头晕目眩,旁路电容,去耦电容,滤波电容等等,其 实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可 以通过电容的等效阻抗公式看出来: Xcap=1/2л fC,工作频率越高,电容值越大则电容的 阻抗越小 . 。在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁 路电容;如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以 称为去耦电容;如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容;除此以外,对于直流电 压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中,往往电容的 作用是多方面的,我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里,我们统一把这些应 用于高速 PCB 设计中的电容都称为旁路电容 . 电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。 但由于引线和 PCB 布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路, (还有电容本身的电阻,有时也不可忽略) 这就引入了谐振频率的概念: ω =1/(LC)1/2 在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。 因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。 这也能解释为什么同样容值的 STM 封装的电容滤波频率比 DIP 封装更高。 至于到底用多大的电容,这是一个参考 电容谐振频率 电容值 DIP (MHz)STM (MHz) 1.0μ F 2.5 5 0.1μ F 8 16 0.01μ F 25 50 1000pF80 160 100 pF 250 500 10 pF 800 1.6(GHz) 不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说 —— 主要靠经验。 更可靠的做法是将一大一小两个电容并联, 一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。 一般来讲,大电容滤除低频波,小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比 。 具体电容的选择可以用公式 C=4Pi*Pi/(R * f * f ) 电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。 1 )理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少 (1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应 , 这时电容应该看成是一 个 L C 串连谐振电路 , 自谐振频率即器件 的 FSR 参数 , 这表示频率大于 FSR 值时 , 电容变成了一个电感 , 如果电容对地滤波 , 当频率超 出 FSR 后 , 对干扰的抑制就大打 折扣 , 所以需要一个较小的电容并联对地 , 可以想想为什么 ? 原因在于小电容 ,SFR值大 , 对高频信号提供了一个对地通路 , 所以在电源滤波电路中我们常 常这样理解 : 大电容虑低频 , 小电容虑高频 , 根本的原因在于 SFR(自谐振频率 ) 值不同 , 当然 也 可以想想为什么 ? 如果从这个角度想 , 也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要 尽可能靠近地了 . 2)那么在实际的设计中 , 我们常常会有疑问 , 我怎么知道电容的 SFR 是多少 ? 就算我知道 SFR 值 , 我如何选取不同 SFR 值的电容值呢 ? 是选取一个电容还是两个电容 ? 电容的 SFR 值和电容值有关 , 和电容的引脚电感有关 , 所以相同容值的 0402,0603,或直插式 电 容的 SFR 值也不会相同 , 当然获取 SFR 值的途径有两个 ,1)器件 Data sheet,如 22pf0402电 容的 SFR值在 2G 左右 , 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率 , 想想如何量测 ?S21? 知道了电容的 SFR 值后 , 用软件仿真 , 如 RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工 作 频带是否有足够的噪声抑制比 . 仿真完后 , 那就是实际电路试验 , 如调试手机接收灵敏度时 , LNA的电源滤波是关键 , 好的电源滤波往往可以改善几个 dB. 滤波电容的选取与计算 从网上看有两种工程常用的计算方法 :(参考 , 感觉有些道理 ) 一 , 当要求不是很精确的话 , 可以根据负载计算 , 每 mA,2uf. 二 , 按 RC 时间常数近似等于 3~5 倍电源半周期估算。给出一例: 负载情况:直流 1A, 12V。其等效负载电阻 12 欧姆。 桥式整流: RC = 3 (T/2) C = 3 (T/2)/ R = 3 x (0.02/ 2 ) / 12 = 2500 ( μ F) 工程中可取 2200 μ F ,因为没有 2500 μ F 这一规格。若希望纹波小些,按 5 倍取。这里 , T 是电源的周期, 50HZ时, T = 0.02 秒。 全波整流结果一样,但半波整流时,时间常数加倍。 根据全波整流波形 , 可以看出 , 输出电压的平滑与电容充放电时间和信号的频率有关系 , 当信 号的频率增大 时 , 输出电压的波动就分变大 , 可以改变滤波电容的大小来改变充放电时间 , 使波动减小 . 这 也反应了上述滤波 电容的计算关系 . 理论上滤波电容越大滤波效果越好 , 输出电压就越平滑 , 但在电路接通的瞬 间,电路中所产生 的冲击电流因素却不能被忽略 , 这是因为 , 几乎所有的电子元器件都有其可以通过的最大电 流值,所以,在 选择电子元器件时 , 必须考虑冲击电流所带来的流过相关元器件瞬间电流的最大值 , 冲击电 流越大,对电子 元器件的要求就越高,电路的成本就会提高
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